一种基于事件计时的光频梳锁定方法及系统
阅读说明：本技术 一种基于事件计时的光频梳锁定方法及系统 (Optical frequency comb locking method and system based on event timing ) 是由 陈法喜 姜海峰 李立波 赵侃 于 2021-11-04 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种基于事件计时的光频梳锁定方法及系统,采用高精度事件计时器实现精密数字相位比对,无需频率综合器直接测量并计算出重复频率F-(r)以及载波包络相位信号频率F-(ceo)与设定的锁定频率值的频率和相位差,通过闭环锁定可实现优于1e-14/s的重复频率F-(r)的频率相位测量和控制精度,以及优于5e-18/s的载波包络相位信号频率F-(ceo)的锁定精度。基于事件计时的光频梳锁定方法减少了频率综合器,不仅节约光频梳设备的成本,提高锁定精度,灵活设定重复频率F-(r)和载波包络相位信号频率F-(ceo)的锁定目标频率值,而且可以在锁定的同时评估环内的锁定质量。(The invention provides an optical frequency comb locking method and system based on event timing, which adopt a high-precision event timer to realize precise digital phase comparison, do not need a frequency synthesizer to directly measure and calculate repetition frequency F r And carrier envelope phase signal frequency F ceo With a frequency and phase difference from the set locking frequency value, a repetition frequency F of better than 1e-14/s can be achieved by closed-loop locking r And a carrier envelope phase signal frequency F of better than 5e-18/s ceo The locking accuracy of (2). The optical frequency comb locking method based on event timing reduces a frequency synthesizer, saves the cost of optical frequency comb equipment, improves the locking precision, and flexibly sets the repetition frequency F r And carrier envelope phase signal frequency F ceo To the target frequency value ofAnd the quality of the lock in the ring can be evaluated at the same time as the lock.)
技术领域
本发明涉及频率控制技术领域，尤其涉及一种基于事件计时的光频梳锁定方法及系统。
背景技术
光频梳作为一个光学频率和射频频率链接的重要手段，是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具，可将微波原子频标与光频标准确而简单的联系起来，为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体，也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具，在光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中有广泛的应用空间。光频梳的应用过程中有重复频率Fr与载波包络相位信号频率Fceo这两个参数是必须精确控制的，控制的精度直接影响最终光频梳的核心指标和使用效果。
例如，在专利文献CN111609790A中，公开了一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理方法与装置。将可调谐激光和飞秒光频梳经拍频信号探测单元后得到拍频信号，经模数采样后进入FPGA开发板进行鉴频鉴相处理。将拍频信号与参考信号相乘并进行低通滤波，通过坐标旋转运算器求得对应的相位，相位经相位解缠绕后进行缩放处理，通过数模转换器输出误差电压信号至模拟PID控制器，模拟PID控制器产生控制信号至可调谐激光器进行闭环控制，将拍频信号频率锁定至参考信号，同时计算拍频信号信噪比、频率、幅值。
再例如在专利文献CN103746689A中，公开了一种用于PLL频率综合器中的锁定检测器，包括数字锁定检测器和模拟锁定检测器；数字锁定检测器包含鉴相脉冲宽度检测器、鉴相脉冲周期数检测器、反相器INV3及D触发器DFF4；模拟锁定检测器的两输入端与PLL频率综合器的鉴频鉴相器输出的UP信号、DOWN信号相连；模拟锁定检测器用于输出鉴相脉冲信号W1和模拟锁定检测信号。
可见，目前现有技术中，重复频率Fr和载波包络相位信号频率Fceo的控制往往采用模拟混频或者鉴相实现频率相位锁定的技术，该技术需要采用频率综合器产生与重复频率Fr和载波包络相位信号频率Fceo相同频率或者分数频率的两个信号。为了得到高的锁定稳定度指标，该技术对频率综合器提出了非常高的要求，这使得光频梳的锁定精度难以提高。尤其在使用射频信号对光频梳的重复频率进行锁定时，由于频率综合器的性能指标往往只能达到1e-13/s，所以使用射频信号对光频梳的重复频率进行锁定的稳定度难以优于1e-13/s。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提出一种基于事件计时的光频梳锁定方法及系统，采用高精度事件计时器实现精密数字相位比对，无需频率综合器直接测量并计算出重复频率Fr以及载波包络相位信号频率Fceo与设定的锁定频率值的频率和相位差，通过闭环锁定可实现优于1e-14/s的重复频率Fr的频率相位测量和控制精度，以及优于5e-18/s的载波包络相位信号频率Fceo的锁定精度。
基于事件计时的光频梳锁定方法减少了频率综合器，不仅节约光频梳设备的成本，提高锁定精度，灵活设定重复频率Fr和载波包络相位信号频率Fceo的锁定目标频率值，而且可以在锁定的同时评估环内的锁定质量。
一种基于事件计时的光频梳锁定方法，包括以下步骤：
步骤一：将光频梳光学部分通过Fr控制器输出的包含重复频率Fr的频率和相位信息的光信号输入到光电探测器一，转换为包含重复频率Fr的频率和相位信息的电信号，同时将光频梳光学部分通过Fceo控制器输出的包含载波包络相位频率Fceo的频率和相位信息的光信号输入到光电探测器二,转换为包含载波包络相位频率Fceo的频率和相位信息的电信号；
步骤二：可调带通滤波器一和可调带通滤波器二分别对光电探测器一和光电探测器二输出的电信号分别进行滤波；
步骤三：将参考频率信号输出为两路信号，分别作为事件计时器一和事件计时器二的参考频率信号；
步骤四：事件计时器一将滤波后的包含重复频率Fr的频率和相位信息的电信号进行M分频，事件计时器二将滤波后的包含载波包络相位频率Fceo的频率和相位信息的电信号进行N分频；
步骤五：事件计时器一测量被M分频后的电信号，将分频为Fr/M的电信号的每一个上升沿的时刻值，记为tri，事件计时器二测量被N分频后的电信号，将分频为Fceo/N的电信号的每一个上升沿的时刻值，记为tcj，相位差计算器一根据tri计算出重复频率Fr的实时频率信号与重复频率Fr设定值Frset之间的相位误差PEFri，相位差计算器二根据tcj计算出载波包络相位频率Fceo实时频率信号与载波包络相位频率Fceo设定值Fceoset之间的相位误差PEFceoi，
所述相位误差PEFri的计算方法如下：
；
所述相位误差PEFceoi的计算方法如下：
；
其中，M、N为分频数，i、j为具体时刻；
步骤六：数字调节器一根据相位误差PEFri计算数字模拟转换器一用于控制重复频率Fr的控制量DA1，数字模拟转换器一根据控制量DA1输出模拟信号，通过驱动器一驱动Fr控制器，实现对光频梳光学部分的重复频率Fr的实时频率的控制；数字调节器二根据相位误差PEFceoi计算出数字模拟转化器二控制载波包络相位频率Fceo的控制量DA2，数字模拟转换器二根据控制量DA2输出模拟信号，通过驱动器二驱动Fceo控制器，实现对光频梳光学部分的载波包络相位频率Fceo的实时频率的控制；
步骤七：重复步骤五和步骤六，实现对光频梳的光学部分的重复频率Fr和载波包络相位频率Fceo的频率的精确控制。
进一步地，所述步骤二中，可调带通滤波器一的中心频率事先设定在Fr的设定值Frset±1MHz，可调带通滤波器二的中心频率事先设定在载波包络相位频率Fceo的设定值Fceoset±1MHz。
进一步地，所述步骤三中，参考频率信号锁定在外部射频参考信号的标准频率信号上，范围为100MHz~200MHz。
进一步地，所述步骤四中，分频值M和N的选择原则为：在保证重复频率Fr和载波包络相位频率Fceo分频后的频率值都小于或等于20MHz的前提下，M和N的值越小越好。
一种用于实现基于事件计时的光频梳锁定方法的锁定系统，包括：
光频梳光学部分，所述光频梳光学部分包括Fr控制器和Fceo控制器，所述Fr控制器用于输出包含重复频率Fr的频率和相位信息的光信号，所述Fceo控制器用于输出包含载波包络相位频率Fceo的频率和相位信息的光信号；
光电探测器一和光电探测器二，分别连接Fr控制器和Fceo控制器，用于分别将包含重复频率Fr的频率和相位信息和包含载波包络相位频率Fceo的频率和相位信息的光信号转化为电信号；
可调带通滤波器一和可调带通滤波器二分别连接光电探测器一和光电探测器二的输出端，用于分别对光电探测器一和光电探测器二输出的电信号进行滤波；
事件计时器一连接可调带通滤波器一的输出端，将可调带通滤波器一输出的包含重复频率Fr的电信号进行M分频，事件计时器二连接可调带通滤波器二的输出端，将可调带通滤波器二输出的包含载波包络相位频率Fceo的电信号进行N分频；
相位差计算器一连接事件计时器一的输出端，用于计算出重复频率Fr实时频率信号与其设定值Frset之间的相位误差PEFri；相位差计算器二连接事件计时器二的输出端，用于计算出载波包络相位频率Fceo实时频率信号与其设定值Fceoset之间的相位误差PEFceoi；
数字调节器一连接相位差计算器一的输出端，用于根据相位误差PEFri计算出重复频率Fr的控制量DA1，数字调节器二连接相位差计算器二的输出端，用于根据相位误差PEFceoi计算出载波包络相位频率Fceo的控制量DA2；
数字模拟转换器一连接数字调节器一的输出端，根据控制量DA1输出模拟信号，通过驱动器一输入到光频梳光学部分的Fr控制器，实现对重复频率Fr的实时频率相位控制；数字模拟转换器二连接数字调节器二的输出端，根据控制量DA2输出模拟信号，通过驱动器二输入到光频梳光学部分的Fceo控制器，实现对载波包络相位频率Fceo的实时频率相位控制。
进一步地，通过相位差计算器一改变重复频率Fr的设定值Frset，将可调带通滤波器一的中心频率设定在Frset±1MHz，实现将光频梳光学部分的重复频率Fr锁定在新的设定频率值上；通过相位差计算器二改变载波包络相位频率Fceo设定值Fceoset，将可调带通滤波器二的中心频率设定在Fceoset±1MHz，实现将光频梳光学部分的载波包络相位频率Fceo锁定在新的设定频率值上。
进一步地，驱动器一将相位差计算器一输出的电压信号经数字调节器一及数字模拟转换器一后转化为适合驱动光频梳光学部分中的Fr控制器的高压信号；驱动器二将相位差计算器二输出的电压信号经数字调节器二及数字模拟转换器二后转化为适合驱动光频梳光学部分中Fceo控制器的电流信号。
进一步地，所述Fr控制器包括压电陶瓷片和电光调制器，所述Fceo控制器为种子激光的泵浦激光管。
有益效果：基于事件计时的光频梳锁定方法，通过事件计时器对重复频率Fr和载波包络相位频率Fceo无死区的频率相位测量，实现了精密数字相位比对，单次比对精度优于3ps，比对速率大于20MHz，可以实现优于1MHz的锁定带宽，并且可以在无频率综合器的情况下灵活设定重复频率Fr和载波包络相位频率Fceo的锁定频率。经过实验，采用基于事件计时的光频梳锁定方法可实现优于1e-14/s的重复频率Fr频率相位测量和控制精度，以及优于5e-18/s的Fceo的锁定精度。同时由于事件计时器对重复频率Fr和载波包络相位频率Fceo进行无死区的频率相位测量，也就在锁定的同时评估环内的锁定质量，对重复频率Fr评估的频率稳定度平台优于8e-18/100000s，对载波包络相位频率Fceo评估的频率稳定度平台为优于1e-12/100000s。
本文使用的术语解释如下：
光频梳，是基于锁模飞秒脉冲激光技术它可以方便可靠准确的将光学频率锁定到基准频率上。其基本原理是：脉冲激光器的输出在时域上为一系列等间隔的超短脉冲,脉冲宽度一般为几到几十飞秒重复频率为几百MHz到几GHz，而在频域里为由一系列等间隔光谱线组成的光梳,每个梳齿之间的间隔等于飞秒激光器的重复频率。
事件计时器，是用于测量记录脉冲的到达时间的装置。其基本原理是：事件计时器内部运行着一个系统时间，当被测脉冲信号到来时，精确记录脉冲的上升或下降沿的到达时刻。事件计时器的单次测量分辨率可达到ps量级，不分频时最大计时速率约为20MHz。
M分频或N分频，由于事件计时器的最大计时速率在20MHz左右，而Fr和Fceo往往在百MHz量级，为了使事件计时器可以正常工作，对Fr进行M分频，Fceo进行N分频，才能输入到事件计时器的被测信号在合理范围。M和N是分别使Fr和Fceo分频后小于20MHz的最小正整数。
载波包络相位，是周期量级激光脉冲非常重要的参量, 是周期量级脉冲包络最大值和包络下电场振荡最大值之间的相对相位。
附图说明
图1是本发明基于事件计时的光频梳锁定方法的流程图；
图2是本发明基于事件计时的光频梳锁定系统的整体结构示意图；
图3是本发明电信号被分频的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下通过实施例并参照附图对本发明的内容进一步详细说明，但是本发明的实施方式不仅限于此。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
参考图1是本发明的基于事件计时的光频梳锁定方法的流程图，包括如下步骤：
1、将光频梳光学部分通过Fr控制器输出的包含重复频率Fr的频率和相位信息的光信号输入到光电探测器PD一，转换为包含重复频率Fr的频率和相位信息的电信号，同时将光频梳光学部分通过Fceo控制器输出的包含载波包络相位频率Fceo的频率和相位信息的光信号输入到光电探测器PD二,转换为包含载波包络相位频率Fceo的频率和相位信息的电信号。
2、由于包含重复频率Fr的频率和相位信息的电信号和包含载波包络相位频率Fceo的频率和相位信息的电信号中包含有其他频率的电信号，所以需要利用可调带通滤波器一和可调带通滤波器二分别对光电探测器PD一和光电探测器PD二输出的电信号进行滤波，分别输出包含重复频率Fr的频率和相位信息的电信号和包含载波包络相位频率Fceo的频率和相位信息的电信号，便于后续的分频和事件计时。可调带通滤波器一的中心频率事先设定在重复频率Fr的设定值Frset±1MHz，优选地设定为200MHz±1MHz，可调带通滤波器二的中心频率事先设定在载波包络相位频率Fceo的设定值Fceoset±1MHz，优选地设定为270MHz±1MHz。
3、将参考频率信号输出为两路信号，分别作为事件计时器一和事件计时器二的参考频率信号，用于给事件计时器的时钟做参考进而可以计时。参考频率信号一般为100MHz~200MHz，并可以锁定在外部射频参考信号的标准频率信号上,例如高稳定度的原子钟信号等；在优选实施例中，选取参考频率信号为100MHz。参考频率信号优选地由高稳晶振输出。
4、事件计时器一将滤波后的包含重复频率Fr的频率和相位信息的电信号进行M分频，事件计时器二将滤波后的包含载波包络相位频率Fceo的频率和相位信息的电信号进行N分频；以保证所述两个事件计时器可以正确进行的测量。
事件计时器为用于测量和记录信号的到达时间的装置，当被测信号到达时，精确记录信号的上升或下降沿的到达时刻。事件计时器的单次测量分辨率可达到ps量级，不分频时的最大计时速率约为20MHz。所以事件计时器内部加入了可编程分频器，对到达的信号进行M分频或N分频，可以提高其输入信号频率的范围。
分频值M和N的选择原则为，在保证重复频率Fr和载波包络相位频率Fceo分频后的频率值都小于或等于20MHz的前提下，M和N的值需要尽量小。在优选实施例中，M取值为10，N取值为15，则当可调带通滤波器一的中心频率事先设定为200MHz，可调带通滤波器二的中心频率事先设定为270MHz时，包含重复频率Fr的电信号被分频后得到重复频率为20MHz信号，包含载波包络相位频率Fceo的电信号被分频后得到载波包络相位频率为18MHz信号。
5、事件计时器一测量被M分频后的电信号，将分频为Fr/M的电信号的每一个上升沿的时刻值，记为tri，事件计时器二测量被N分频后的电信号，将分频为Fceo/N的电信号的每一个上升沿的时刻值，记为tcj。参考图3为电信号被分频的示意图。
相位差计算器一根据tri计算重复频率Fr的实时频率信号与重复频率Fr设定值Frset之间的相位误差PEFri，相位差计算器二根据tcj计算载波包络相位频率Fceo的实时频率信号与载波包络相位频率Fceo设定值Fceoset之间的相位误差PEFceoi。
所述相位误差PEFri的计算方法如下：
；
所述相位误差PEFceoi的计算方法如下：
；
其中，其中10为分频数M的取值、15为分频数N的取值，i、j为具体时刻。
6、数字调节器PID一根据相位误差PEFri计算数字模拟转换器一用于控制重复频率Fr的控制量DA1，数字模拟转换器一根据控制量DA1输出模拟信号，通过驱动器一驱动Fr控制器实现对光频梳光学部分的重复频率Fr的实时频率的控制；数字调节器PID二根据相位误差PEFceoi计算出数字模拟转化器二控制载波包络相位频率Fceo的控制量DA2，数字模拟转换器二根据控制量DA2输出模拟信号，通过驱动器二驱动Fceo控制器实现对光频梳光学部分的载波包络相位频率Fceo的实时频率的控制。
由于光频梳光学部分中的Fr控制部分需要高压驱动信号，因此驱动器一将相位差计算器一输出的电压信号经数字调节器PID一及数字模拟转换器一后转化为适合驱动光频梳光学部分中的Fr控制部分的高压信号。在优选实施例中，驱动器一是电压放大器。
驱动器二用于将相位差计算器二输出的电压信号经数字调节器PID二及数字模拟转换器二后转化为适合驱动光频梳光学部分中Fceo控制部分的电流信号，最终实现对Fceo控制部分的电流控制，在优选实施例中，驱动器二是电流控制器。
7、重复步骤五和步骤六，即实现对光频梳光学部分的重复频率Fr和载波包络相位频率Fceo的频率相位的精确控制。需要说明的是，由于系统存在长期漂移及短期扰动，故该步骤一直在重复，使得系统达到很高精度。
实验测得，本发明采用基于事件计时的光频梳锁定方法可实现稳定度优于1e-14/s的重复频率Fr的频率相位测量和控制精度，以及稳定度优于5e-18/s的载波包络相位频率Fceo的锁定精度。同时由于事件计时器对重复频率Fr和载波包络相位频率Fceo进行无死区的频率相位测量，也就在锁定的同时评估环内的锁定质量，对重复频率Fr评估的频率稳定度平台优于8e-18/100000s，对载波包络相位频率Fceo评估的频率稳定度平台为优于1e-23/100000s。这里的稳定度值是指阿伦方差算法算出的稳定度，是时频领域很重要的评定指标。频率稳定度平台是指时间轴很长算出的频率稳定度，也就是即使时间轴再长稳定度也不会再优于上述两个稳定度值。
参考图2所示，为本发明的用于实现基于事件计时的光频梳锁定方法的锁定系统的整体结构示意图，锁定系统包括：
光频梳光学部分10，所述光频梳光学部分包括Fr控制器10-1和Fceo控制器10-2，所述Fr控制器用于输出包含重复频率Fr的频率和相位信息的光信号，所述Fceo控制器用于输出包含载波包络相位频率Fceo的频率和相位信息的光信号；
在优选实施例中，Fr控制器包括控制光学腔长的压电陶瓷片PZT和电光调制器EOM，Fceo控制器为种子激光的泵浦激光管。具体地，Fr控制器通过控制压电陶瓷片PZT长度改变压电陶瓷片PZT中反射镜位置，实现改变光程从而达到改变腔长的目的，通过控制电光调制器EOM中电光晶体的折射率发生变化从而实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。Fceo控制器通过改变泵浦激光管电流进而改变激光功率，使得腔内激光的色散发生变化，进而改变载波包络频率差。
光电探测器PD一14和光电探测器PD二13分别连接Fr控制器10-1和Fceo控制器10-2的两个输出端，用于分别将包含重复频率Fr的频率和相位信息和包含载波包络相位频率Fceo的频率和相位信息的光信号转化为电信号；输出为分别包含重复频率Fr和载波包络相位频率Fceo的电信号。
可调带通滤波器一15连接光电探测器PD一14的输出端，可调带通滤波器二16连接光电探测器PD二13的输出端，可调带通滤波器一15和可调带通滤波器二16分别对光电探测器PD一14和光电探测器二PD13输出的电信号进行滤波。
参考频率信号输出两路信号，分别作为事件计时器一19和事件计时器二20的频率参考。事件计时器一19连接可调带通滤波器一15的输出端，将可调带通滤波器一15输出的包含重复频率Fr的电信号进行M分频，事件计时器二20连接可调带通滤波器二20的输出端，将可调带通滤波器二20输出的包含载波包络相位频率Fceo的电信号进行N分频，以保证所述两个事件计时器可以正确进行的测量。
相位差计算器一23连接事件计时器一19的输出端，相位差计算器二24连接事件计时器二20的输出端，相位差计算器一23用于计算出重复频率Fr实时频率信号与其设定值Frset之间的相位误差PEFri，相位差计算器二24用于计算出载波包络相位频率Fceo实时频率信号与其设定值Fceoset之间的相位误差PEFceoi；
数字调节器PID一21连接相位差计算器一23的输出端，用于根据PEFri计算出重复频率Fr的控制量DA1，并将控制量DA1输入到数字模拟转换器一17，数字模拟转换器一17输出的模拟信号通过驱动器一11输入到光频梳光学部分10的Fr控制部分，实现对重复频率Fr的实时频率相位控制。
数字调节器PID二22连接相位差计算器二24的输出端，数字调节器PID二22根据PEFceoi计算出载波包络相位频率Fceo的控制量DA2，并将控制量DA2输入到数字模拟转换器二18，数字模拟转换器二18输出的模拟信号通过驱动器二12输入到光频梳光学部分10的Fceo控制部分，实现对载波包络相位频率Fceo的实时频率相位控制。
其中，驱动器一将相位差计算器一输出的电压信号经数字调节器PID一及数字模拟转换器一后转化为适合驱动光频梳光学部分中的Fr控制器的高压信号。驱动器二将相位差计算器二输出的电压信号经数字调节器PID二及数字模拟转换器二后转化为适合驱动光频梳光学部分中Fceo控制器的电流信号。
用户通过改变重复频率Fr的设定值Frset，系统自动将可调带通滤波器一的中心频率设定为Frset±1MHz，就可以实现将光频梳光学系统的重复频率Fr锁定在新的设定频率值上；用户通过改变载波包络相位频率Fceo设定值Fceoset，系统自动将可调带通滤波器二的中心频率设定为Fceoset±1MHz，就可以实现将光频梳光学系统的载波包络相位频率Fceo锁定在新的设定频率值上。
对于系统实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。